[논문]분산전원 연계 계통에서의 과전류계전기 오동작에 관한 연구

박종일; 이계병; 박창현

doi:10.5370/kiee.2018.67.12.1705

분산전원 연계 계통에서의 과전류계전기 오동작에 관한 연구
A Study on the Over Current Relay Misoperation in Power System with Distributed Generations 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.67 no.12, 2018년, pp.1705 - 1710

박종일 (Dept. of Electrical Engineering, Pukyong National University) , 이계병 (Dept. of Electrical Engineering, Pukyong National University) , 박창현 (Dept. of Electrical Engineering, Pukyong National University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper deals with an analysis of the causes of over current relay(OCR) misoperation in power system with distributed generations(DG). In general, Y-D and Y-Y-D transformer connections are used for grid interconnection of DG. According to the interconnection guideline, the neutral point on Y side should be grounded. However, these transformer connections can lead to OCR misoperation as well as over current ground relay(OCGR) misoperation. Several researches have addressed the OCGR misoperation due to the interaction between transformer connections and zero-sequence voltage of distribution system. Recently, a misoperation of OCR at the point of DG interconnection to the utility system has been also reported. With increasing the interconnections of DG, such OCR as well as OCGR misoperations are expected to increase. In this paper, PSCAD/EMTDC modeling including DG interconnection transformer was performed and various case studies was carried out for identifying the cause of OCR misoperation.

주제어

표/그림 (15)

그림 그림 1 3상 Yg-D 결선 변압기 Fig. 1 3-phase Yg-D winding transformer
그림 그림 2 변압기 영상 등가회로 Fig. 2 Transformer Zero-sequence equivalent circuit
그림 그림 3 영상분 고조파 전압과 전류 Fig. 3 Zero sequence harmonic voltage and current
그림 그림 4 불평형 전압에 의한 불평형 전류 Fig. 4 Unbalanced current due to unbalanced voltage
그림 그림 5 측정 전류에 대한 시퀀스 벡터 Fig. 5 Sequence vectors of the measured current
그림 그림 6 PSCAD/EMTDC 전원 모델링 Fig. 6 Power supply modeling using PSCAD / EMTDC
그림 그림 7 실측 데이터 기반한 모의 계통도 Fig. 7 Simulation system based on the measured data
표 표 1 변압기 데이터 Table 1 Transformer data
표 표 2 영상분 고조파에 따른 변압기 1차측 전류 Table 2 Transformer primary currents according to zero sequence harmonic
표 표 3 전압 불평형에 따른 변압기 1차측 전류 Table 3 Transformer primary current due to unbalanced voltage
그림 그림 8 실측 전압 파형 Fig. 8 Waveform of the measured voltage
그림 그림 9 실측 전압에 대한 FFT 분석 Fig. 9 FFT analysis of the measured voltage
그림 그림 10 Case 2 부하 조건에서의 전류 벡터도 Fig. 10 Vector diagram of the sequence currents for the load condition of Case 2
표 표 4 부하 운전 조건에 따른 변압기 1차측 전류 Table 4 Transformer primary current according to load operating condition
표 표 5 Case 2 부하 조건에서의 상전류 및 시퀀스 전류 Table 5 Phase and sequence currents for the load condition of Case 2

AI 본문요약
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문제 정의

실제 연계 계통에서 2 차측 부하가 평형 상태로 과부하 없이 동작 중임에도 1차측의 특정 상에 과전류가 발생해 OCR이 동작한 사례가 있었다. 본 논문에서는 분산전원 연계 계통에서의 OCR 오동작 원인 및 발생원리를 규명하였다.
본 논문에서는 분산전원 연계 계통에서의 OCR 오동작 현상 원인 규명과 실측 데이터에 기반한 분석을 수행하였다. 분산전원 연계 변압기인 Yg-D 및 Yg-Yg-D 결선의 경우 전원측 영상전 압으로 인해 영상 전류가 크게 확대될 수 있으며 이는 중성선전류를 증가시킬 뿐 아니라 시퀀스 전류 관계에 따라 심한 전류 불평형을 유발할 수 있다.
부하측 설비 불평형률 및 전류 불평형은 내선규정에서 제한하는 범위 이내로 운전되고 있었음에도 변압기 1차측 특정상의 과전류계전기가 오동작하였다. 이에 본 논문에서는 분산전원 연계 계통에서 계통 영상 전압으로 인한 과전류계전기 오동작의 원인 규명과 분석을 실시하였다. 실측 데이터에 기반하여 분산전원 연계 계통에 대한 전자기 과도 해석 모델 링을 수행하였고 다양한 전원 전압 및 부하 조건에 따른 모의 분석을 실시하였다.

제안 방법

실측 전압을 바탕으로 부하의 운전조건 변화에 따른 변압기 1차측 전류를 분석하였다. 3상 평형인 조건과 내선규정에서 제한하는 범위내의 불평형 부하 조건에 대해 시뮬레 이션을 수행하였다. 표 4의 결과로부터 B상 전류는 확대되어 과전류 상태가 되고 A상 및 C상의 전류는 상대적으로 작아짐을 알수 있다.
또한 Yg-Yg-D 연계 수용가의 계통측 실측 전압을 모의에 반영할 수 있도록 데이터 import 모듈을 구성하였다. PSCAD/EMTDC의 master library의 File Reader 모듈을 사용하여 실측 전압을 반영할 수 있도록 하였다(그림 6).
Yg-Yg-D 변압기는 변압기 제조사에서 제공하는 시험성적서를 바탕으로 모델링을 하였다. 주요 변압기 데이터는 표 1과 같다.
고조파에 의한 영상 전류와 불평형에 의한 영상 전류의 영향을 비교 분석하였다. 먼저 기본파와 3고조파 전압을 포함한 전압원에 대해 3상 평형 부하 조건에서의 영상 전류를 분석하였다.
먼저 전원의 경우 다양한 불평형 및 고조파를 반영할 수 있도록 구성하였다. 또한 Yg-Yg-D 연계 수용가의 계통측 실측 전압을 모의에 반영할 수 있도록 데이터 import 모듈을 구성하였다. PSCAD/EMTDC의 master library의 File Reader 모듈을 사용하여 실측 전압을 반영할 수 있도록 하였다(그림 6).
고조파에 의한 영상 전류와 불평형에 의한 영상 전류의 영향을 비교 분석하였다. 먼저 기본파와 3고조파 전압을 포함한 전압원에 대해 3상 평형 부하 조건에서의 영상 전류를 분석하였다. 3고조파 영상 전압과 변압기의 영상 임피던스에 대응되는 영상 전류가 발생하였다.
주요 변압기 데이터는 표 1과 같다. 부하는 내선규정에서 제한하는 범위 내의 다양한 평형 및 불평형 조건을 반영할 수 있도록 모델링 하였다. 전원을 비롯해 연계 변압기, 부하 등을 포함한 전체 모의 계통은 그림 7과 같다.
이에 본 논문에서는 분산전원 연계 계통에서 계통 영상 전압으로 인한 과전류계전기 오동작의 원인 규명과 분석을 실시하였다. 실측 데이터에 기반하여 분산전원 연계 계통에 대한 전자기 과도 해석 모델 링을 수행하였고 다양한 전원 전압 및 부하 조건에 따른 모의 분석을 실시하였다.
전원측 전압은 규정범위내의 비교적 양질의 전원을 공급하고 있음을 확인할 수 있다. 실측 전압을 바탕으로 부하의 운전조건 변화에 따른 변압기 1차측 전류를 분석하였다. 3상 평형인 조건과 내선규정에서 제한하는 범위내의 불평형 부하 조건에 대해 시뮬레 이션을 수행하였다.
전원측 전압 불평형으로 인한 영상전류의 영향을 분석하였다. 표 3은 불평형에 따른 영상전압의 크기와 그에 따른 각 상전류의 변화를 보여준다.

이론/모형

분산전원 연계 계통에서의 OCR 오동작 원인을 분석하기 위해 PSCAD/EMTDC 모델링을 수행하였다. 먼저 전원의 경우 다양한 불평형 및 고조파를 반영할 수 있도록 구성하였다.

성능/효과

그림 10은 변압기 1차측 전류 시퀀스 벡터도를 나타낸다. B상 전류의 경우 정상분과 역상분의 합 벡터와 영상 성분 벡터의 위상이 유사하여 벡터 합의 결과 전류가 확대되었으며 A상 및 C상의 경우 영상분 벡터로 인해 상전류가 줄어들게 되었다. 각 상에서의 영상 전류는 1.
표 3은 불평형에 따른 영상전압의 크기와 그에 따른 각 상전류의 변화를 보여준다. 각 상전류는 정상, 역상, 영상 시퀀스 전류의 합으로 나타나게 되는데, 정상, 역상 합성 벡터와 영상 전류 벡터의 관계에 따라 특정 상의 전류는 증가하고 특정상의 전류는 감소하게 됨을 확인하였다. 즉, 2차측 부하 전류는 평형으로 나타나지만 1차측 전류는 심한 불평형 상태가 되고 중성선 전류도 증가됨을 확인하였다.
실측 전압에 대한 FFT 분석 결과 3, 5, 7, 9 고조파 성분이 약간 포함되어 있고 기본파에 대한 대칭 성분 분석 결과 영상분, 정상분, 역상분 전압이 각각 0.01∠-86.39°, 0.98, ∠ -7.10°, 0.008, ∠ 177.82° p.u.로 나타났다.
각 상 전류는 기본파 평형 전류에 동일한 크기의 영상전류가 합성된 형태로 나타났고 해당 영상전류는 변압기 1차측 중성점에서 중첩되어 중성선에 흘렀다. 영상분 고조파로 인한 영상전류는 각 상전류의 크기를 동일하게 증가시키고 중성선 전류로 합성됨을 확인하였다. 표 2는 고조파 영상 전압의 크기에 따른 전류 변화를 보여준다.
각 상전류는 정상, 역상, 영상 시퀀스 전류의 합으로 나타나게 되는데, 정상, 역상 합성 벡터와 영상 전류 벡터의 관계에 따라 특정 상의 전류는 증가하고 특정상의 전류는 감소하게 됨을 확인하였다. 즉, 2차측 부하 전류는 평형으로 나타나지만 1차측 전류는 심한 불평형 상태가 되고 중성선 전류도 증가됨을 확인하였다. 불평형 정도가 심할 경우 특정상의 OCR이 동작하게 된다.

후속연구

앞으로 분산전원의 계통 연계와 비선형 부하로 인한 고조파 유입이 더욱 증가할 것으로 전망되므로 전원측 영상 전압에 대한 엄격한 관리와 대책이 필요하다. 또한 분산전원 연계 규정 및 계전기 정정치 등에 대한 검토도 이루어져야 할 것이다.
이러한 영상 전류로 인해 분산전원 연계점에서 OCGR 및 OCR 오동작 문제가 발생하고 있다. 앞으로 분산전원의 계통 연계와 비선형 부하로 인한 고조파 유입이 더욱 증가할 것으로 전망되므로 전원측 영상 전압에 대한 엄격한 관리와 대책이 필요하다. 또한 분산전원 연계 규정 및 계전기 정정치 등에 대한 검토도 이루어져야 할 것이다.
특히 공급 계통의 영상분 고조파도 해당 문제의 주요한 유발요인이 된다. 앞으로 비선형 부하의 증가로 인해 계통내 고조파 유입이 더욱 증가할 것으로 예상되고 신재생에너지의 계통 연계도 증가할 것으로 예상되어 해당 문제에 대한 효과적인 대책 수립이 필요하다. 그뿐만 아니라 최근에는 Yg-Yg-D 연계 변압기 계통에서 1차측 과전류계전기(OCR)의 오동작으로 인한 피해가 보고되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	영상 전류로 인한 OCGR 및 OCR 오동작의 과정은 어떠한가?	분산전원 연계 변압기인 Yg-D 및 Yg-Yg-D 결선의 경우 전원측 영상전 압으로 인해 영상 전류가 크게 확대될 수 있으며 이는 중성선전류를 증가시킬 뿐 아니라 시퀀스 전류 관계에 따라 심한 전류 불평형을 유발할 수 있다. 영상분 고조파로 인한 영상 전류의 경우 중성선의 전류를 크게 증가시키지만 불평형에 의한 영상 전류는 각 상별 전류 불평형을 유발하여 특정상에 과전류를 발생시킬 수 있다. 이러한 영상 전류로 인해 분산전원 연계점에서 OCGR 및 OCR 오동작 문제가 발생하고 있다.
	연계변압기 D결선의 목적은 무엇인가?	분산전원 연계 지침에 따르면 연계 변압기 결선으로 Yg-D 또는 Yg-Yg-D방식을 채택하고 있다 [5]. 연계 변압기의 D결선은 안정권선으로 분산전원 및 부하에 의한 고조파의 계통 유입을 방지하기 위함이다. 그러나 전원측이 접지된 연계 변압기 결선으로 인해 계통에서 다양한 문제가 발생하고 있다.
	3상 4선식 배전계통의 장단점은 무엇인가?	9 kV 공통 중성선 다중접지 3상 4선식 방식을 채택하고 있다. 3상 4선식 배전계통은 단상 및 3상 부하 모두에 전력을 공급할 수 있지만, 계통 불평형이 심해질수록 손실 증가 및 기기의 출력 저하 등 다양한 문제가 발생할 수 있다[1-2]. 계통의 불평형은 주로 부하 불평형에 의해 발생한다.

참고문헌 (8)

Jong-Gyeoum Kim, Young-Jeen Park, "The Measurement & Analysis of Voltage Unbalance Factor at LV Customer of Three-Phase Four-Wire System", Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, Vol. 18, No. 6, pp. 91-99, Nov. 2004.
Jung-Eun Lee, Young-Joo Song, Hong-Kyoo Choi, Tae-Hoon Kim, In-Tae Kim, "A Study on Application for Y-Tz Transformer Winding Method to Decrease the Current Unbalance on the Source Side", The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 63, No. 9, pp. 1206-1211, Jul. 2014.
Jong-Gyeum Kim, "A New Analysis for Load Unbalance Factor", The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers P, Vol. 55, No. 2, pp. 67-72, Jun. 2006.
Korea Electric Association, "Consumer's Electrical Installation Guide", 2016.
Dong-Yeol Shin, Bok-Nam Ha, Won-Wook Jung, Han-Ju Cha, "A Study on the Reverse-Power-Flow Phenomenon due to Transformer Wiring Types in Distribution System", Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, Vol. 22, No. 09, pp. 111-119, 2008.
Dong-Yeol Shin, Yong-woo Park, Han-Ju Cha, "A Case Study on Malfunction of OCGR and Inaccuracy of Watt-hour Meter in Distributed Generation System", The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineer, Vol. 57, No. 08, 2008.
Arthur R. Bergen, Vijay Vittal, Power Systems Analysis, 2nd Edition, Prentice-Hall, pp. 470-472, 2000.
Aeso International Inc, "Transformer Modelling Guide," Jul. 08, 2014.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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